Способы определения характеристик надежности по

13 Надежность программного обеспечения

Тема: Надежность программного обеспечения информационных систем

1. Основные понятия и определения надежности программного обеспечения.

2. Показатели надежности программного обеспечения.

3. Причины отказов программного обеспечения, признаки появления ошибок.

4. Способы обеспечения и повышения надежности программ.

Рекомендуемые файлы

Надежность программного обеспечения, ПО, отказ, скрытые ошибки, спецификация, корректность программы, контроль ПО, логические ошибки, ошибки ввода-вывода, сбой, резервирование программ, ошибки манипулирования.

Основные понятия надежности ПО

Надежность работы вычислительной аппаратуры следует рассматривать совместно с программным обеспечением как надежность вычислительного процесса.

Под надежностью программного обеспечения (ПО) будем понимать свойство программы выполнять заданные функции, сохранять свои характеристики в установленных переделах при определенных условиях эксплуатации.

Надежность ПО определяется его безотказностью и восстанавливаемостью.

Безотказность программы или программного обеспечения есть его (ее) свойство сохранять работоспособность при использовании в процессе обработки информации на компьютере.

Безотказность ПО можно оценивать вероятностью его работы без отказов при определенных условиях внешней среды в течении заданного времени наблюдения.

Безотказность программного средства можно также характеризовать средним временем между возникновениями отказов в функционировании программы. При этом предполагается, что аппаратура компьютера находится полностью в работоспособном состоянии.

С точки зрения надежности принципиальное отличие ПО от аппаратуры состоит в том, что программы не изнашиваются и, следовательно, не выходят из строя из-за поломки.

Безотказность ПО определяется его корректностью (правильностью) и, следовательно, целиком зависит от наличия в нем ошибок, внесенных на этапах его создания. В то время как безотказность аппаратуры определяется в основном случайными отказами, зависящими от изменений параметров аппаратуры во время эксплуатации.

Механизм возникновения отказа аппаратуры и отказа ПО существенно отличаются друг от друга. Отказ аппаратуры обусловлен разрушением каких-либо элементов аппаратуры. Отказ ПО обусловлен несоответствием ПО поставленным задачам.

Несоответствие может возникать по двум причинам: либо разработчиком программы допущено нарушение спецификации – технических требований к программе, либо спецификация неточная или неполная.

Корректность программы – ее соответствие спецификации.

Важной характеристикой надежности ПО является его восстанавливаемость, которая определяется затратами времени и труда не устранение отказа из-за проявившейся ошибки в программе и его последствий.

Восстановление после отказа в программе может заключаться в корректировке и восстановлении текста программы, исправлении данных, внесении изменений в организацию вычислительного процесса.

Восстанавливаемость ПО может быть оценена средней продолжительностью устранение ошибки в программе и восстановления ее работоспособности. Восстанавливаемость ПО зависит от многих факторов: от сложности структуры комплекса программ, алгоритмического языка, на котором разрабатывалась программа, стиля программирования, качества документации на программу и т.д.

Причины отказов программного обеспечения

Основными причинами непосредственно вызывающими нарушение нормального функционирования программы, являются [1, 2, 3, 10, 11]:

1. ошибки, скрытые в самой программе;

2. искажения входной информации, подлежащей обработке;

3. неверные действия пользователя;

4. неисправность аппаратуры установки, на которой реализуется вычислительный процесс.

1. Скрытые ошибки программы являются главным фактором нарушения нормальных условий его функционирования;

Можно выделить следующие основные ошибки в программе:

· Ошибки вычислений – ошибки данного класса содержаться в закодированных математических выражениях или получаемых с их помощью результатах. Примерами таких ошибок является неверное преобразование типов переменных, неверный знак операции, ошибка в выражении индекса, переполнение или потеря значимости при вычислениях.

· Логические ошибки – являются причиной искажения алгоритма решения задачи. Такого рода ошибки возникают в связи с неверной передачей управления, неверном задании диапазона изменения параметров цикла, неверных условий и т.д.

· Ошибки ввода-вывода – связаны с такими действиями, как управление вводом-выводом, формирование выходных записей и определение размеров записей.

· Ошибки манипулирования данными – примерами таких ошибок являются неверно определенное число элементов данных, неверные начальные значения, присвоенные данным, неверно указанная длина операнда, имя переменной и т.д.

Ошибки совместимости связанны с отсутствием совместимости с операционной системой или другими прикладными программами используемыми в данной программе.

Ошибки сопряжений вызывают неверное взаимодействие программы с другими программами (подпрограммами), с системными программами, устройствами компьютера, входными данными и т.д.

В качестве примеров ошибок сопряжения можно привести – несовместимость аргументов и параметров подпрограммы, нарушение синхронизации при синхронном выполнении программы и т.д.

2. Искажения информации , подлежащей обработке, вызывает нарушение функционирования ПО, когда входные данные не попадают в область допустимых значений переменных программы. В этом случае между исходной информацией и характеристиками программы возникает несоответствие.

Причинами искажения вводимой информации могут быть, например, следующие:

· искажения данных на первичных носителях информации;

· сбои и отказы в аппаратуре ввода данных с первичных носителей информации;

· шумы и сбои в каналах связи при передачи сообщений по линиям связи и т.д.

3. Неверные действия пользователя, приводящие к отказу в процессе функционирования ПО связаны, прежде всего, с неправильной интерпретацией сообщений, неправильными действами пользователя в процессе диалога с компьютером и т.д.

4. Неисправность аппаратуры – неисправности, возникающие при работе аппаратуры, используемой для реализации вычислительного процесса, оказывают влияние на характеристику надежности ПО. Появление отказа или сбоя в работе аппаратуры приводит к нарушению нормального хода вычислительного процесса и во многих случаях к искажению данных и текстов программ в основной и внешней памяти.

Признаки появления ошибок

Наиболее типичными симптомами появления ошибок в программе являются:

· преждевременное окончание выполнения программы;

· недопустимое увеличение времени некоторой последовательности команд одной из программ;

· полная потеря или значительное искажение накопленных данных, необходимых для успешного выполнения решаемых задач;

· нарушение последовательности вызова отдельных программ, в результате чего происходит пропуск необходимых программ;

· искажение отдельных элементов данных (входных, выходных, промежуточных) в результате обработки искаженной исходной информации.

Способы обеспечения и повышения надежности программ

Они определены на следующие основные категории:

1. усовершенствование технологии программирования;

2. выбор алгоритмов, не чувствительных к различного рода нарушениям вычислительного процесса (использование алгоритмической избыточности);

3. резервирование программ – дуальное или N -версионное программирование, другие методы введения структурной избыточности;

4. контроль и тестирование программ с последующей коррекцией.

Выбор алгоритмов, не чувствительных к нарушениям вычислительного процесса, основан на исследовании их чувствительности. Мерой чувствительности могут являться погрешности, вызванные этими нарушениями.

Результаты вычислений искажаются погрешностями:

· исходных данных, трансформированными в ходе вычислений:

· обусловленными отказами, сбоями и ошибками в программе.

Контрольные вопросы и задания

1. Что понимается под надежностью программного обеспечения (ПО)?

2. Что такое корректность ПО?

3. От чего зависит восстанавливаемость ПО компьютера и КС?

4. Определите основные причины отказов ПО.

5. Какие существуют пути повышения надежности ПО компьютеров и КС?

6. Почему при мультипрограммной обработке информации используют принцип виртуальных машин?

7. Какой из способов обеспечения надежности программ считается более эффективным?

8. Что значит «усовершенствование технологии программирования»?

9. Дайте определение понятию «дуальное и N -версионное» программирование.

10. Как оценить вероятность безотказной работы программ?

11. Что означает термин «алгоритмическая избыточность»?

Источник

Модели качества и надежности в программной инженерии

К атрибутам функциональности относятся:

К подхарактеристикам надежности ПО относятся:

К некоторым типам систем (реального времени, радарных, систем безопасности, коммуникация и др.) предъявляются требования для обеспечения высокой надежности (недопустимость ошибок, точность, достоверность, удобство применения и др.). Таким образом, надежность ПО в значительной степени зависит от числа оставшихся и не устраненных ошибок в процессе разработки на этапах ЖЦ. В ходе эксплуатации ошибки обнаруживаются и устраняются.

Если при исправлении ошибок не вносятся новые или, по крайней мере, новых ошибок вносится меньше, чем устраняется, то в ходе эксплуатации надежность ПО непрерывно возрастает. Чем интенсивнее проводится эксплуатация, тем интенсивнее выявляются ошибки и быстрее растет надежность ПО.

К факторам, влияющим на надежность ПО, относятся:

• совокупность угроз, приводящих к неблагоприятным последствиям и к ущербу системы или среды ее функционирования;
• угроза как проявление нарушения безопасности системы;
• целостность как способность системы сохранять устойчивость работы и не иметь риска.

Обнаруженные ошибки могут быть результатом угрозы извне или отказов, они повышают риск и уменьшают некоторые свойства надежности системы.

Надежность — одна из ключевых проблем современных программных систем, и ее роль будет постоянно возрастать, поскольку постоянно повышаются требования к качеству компьютерных систем. Новое направление — инженерия программной надежности ( Software reliability engineering) — ориентировано на количественное изучение операционного поведения компонентов системы по отношению к пользователю, ожидающему надежную работу системы [10.7], и включает:

• измерение надежности, т.е. проведение ее количественной оценки с помощью предсказаний, сбора данных о поведении системы в процессе эксплуатации и современных моделей надежности;
• стратегии и метрики конструирования и выбора готовых компонентов, процесс разработки компонентной системы, а также среда функционирования, влияющая на надежность работы системы;
• применение современных методов инспектирования, верификации, валидации и тестирования при разработке систем, а также при эксплуатации.

Верификация применяется для определения соответствия готового ПО установленным спецификациям, а валидация — для установления соответствия системы требованиям пользователя, которые были предъявлены заказчиком.

В инженерии надежности термин dependability (пригодноспособность) обозначает способность системы иметь свойства, желательные для пользователя, который уверен в качественном выполнении функций ПС, заданных в требованиях. Данный термин определяется дополнительным количеством атрибутов, которыми должна обладать система, а именно:

• готовность к использованию (availability);
• готовностью к непрерывному функционированию ( reliability );
• безопасность для окружающей среды, т.е. способность системы не вызывать катастрофических последствий в случае отказа ( safety );
• секретность и сохранность информации (сonfidential);
• способность к сохранению системы и устойчивости к самопроизвольному ее изменению (integrity);
• способность к эксплуатации ПО, простота выполнения операций обслуживания, а также устранения ошибок, восстановление системы после их устранения и т.п. ( maintainability );
• готовность и сохранность информации (security) и др.

Достижение надежности системы обеспечивается предотвращением отказа (fault prevention), его устранением (removal fault), а также оценкой возможности появления новых отказов и мер борьбы с ними с применением методов теории вероятности.

Каждый программный компонент, его операции и данные обрабатываются в дискретные моменты времени, например, . Пусть за время после первого неудачно обработанного компонента системы появился отказ, — вероятность этой неудачи, тогда n\delta\> = (1 — q_)^< n>» style=»display: inline; «> и среднее время ожидания .

Положим, что момент времени убывает, а время остается фиксированным, тогда имеем t\> = (1 — \frac<\delta>)\frac <\delta>= e^<-\frac>» style=»display: inline; «>, время до отказа в данном случае — непрерывная величина , распределенная экспоненциально с параметром .

Таким образом, оценка надежности ПО — это трудоемкий процесс, требующий создания устойчивой работы системы по отношению к отказам ПО, т.е. вероятности того, что система восстановится самопроизвольно в некоторой точке после возникновения в ней отказа (fault).

К подхарактеристиками удобства применения относятся:

• понимаемость — атрибут, который определяет усилия, затрачиваемые на распознавание логических концепций и условий применения ПО;
• изучаемость (легкость изучения) — атрибут, который определяет усилия пользователей на определение применимости ПО путем использования операционного контроля, диагностики, а также процедур, правил и документации;
• оперативность — атрибут, который показывает на реакцию системы при выполнении операций и операционного контроля;
• согласованность — атрибут, который показывает соответствие разработки требованиям стандартов, соглашений, правил, законов и предписаний.

К подхарактеристикам эффективности ПО относятся:

• реактивность — атрибут, который показывает время отклика, обработки и выполнения функций;
• эффективность ресурсов — атрибут, показывающий количество и продолжительность используемых ресурсов при выполнении функций ПО;
• согласованность — атрибут, который показывает соответствие данного атрибута с заданными стандартами, правилами и предписаниями.

Cопровождаемость включает подхарактеристики:

Источник